un domeniu al științei materialelor cunoscut sub numele de metamateriale a capturat recent imaginația inginerilor care speră să creeze dispozitive optice la scară nanometrică. Jonathan Fan, profesor asistent de inginerie electrică și director al ExFab la Stanford nanofabrication Facility, conduce calea. El a câștigat recent prestigioasa bursă Packard 2016 în știință și inginerie, care finanțează cei mai promițători profesori de carieră timpurie în domenii variind de la fizică și chimie la inginerie. Fan este doar al patrulea inginer electric de la Stanford care a câștigat Bursa din 1988, iar sprijinul financiar care vine cu acesta îi va permite să continue munca atât de inovatoare încât altfel se poate dovedi dificil de finanțat prin mijloace tradiționale. Am vorbit cu Fan despre viziunile sale în ingineria metamaterială și despre colaborările sale interdisciplinare cu colegii profesori Stanford Allison Okamura și Sean Follmer în proiecte precum integrarea de noi tipuri de sisteme electromagnetice cu roboți.

Ce sunt metamaterialele?

la nivelul său cel mai de bază, aducem ideea unei antene la scară nanometrică. Cu o zi înainte de cablu și satelit, televizoarele aveau antene metalice. Dacă imaginea dvs. nu ar fi foarte bună, v-ați ridica și ați reconfigura fizic geometria antenei pentru a-i schimba performanța. Aceste antene au fost proiectate pentru unde radio care aveau o lungime de centimetri până la metri. Lucrăm pentru a crea antene la scară nanometrică care ar putea răspunde la lumina vizibilă cu lungimi de undă de 400 până la 700 nanometri sau lumină infraroșie, unde lungimile de undă sunt de ordinul unui micron. Prin configurarea geometriei acestor antene individual și în colecții, putem proiecta sisteme care pot interacționa și manipula lumina în moduri complet noi.

aceste antene mici sunt cu multe ordine de mărime mai mici decât o antenă TV. Din fericire, dezvoltarea platformei moderne de circuite integrate electronice în ultima jumătate de secol a produs procese tehnologice mature care ne pot ajuta să definim caracteristicile la scară nanometrică. Folosim aceleași tehnologii de modelare pentru a face aceste antene la scară nanometrică. Aceasta este imaginea de ansamblu foarte de bază.

care este derivarea termenului „meta” în numele metamaterialelor?

când te gândești la o lentilă convențională, te gândești la sticlă – materialul, nu? Sticla din camera dvs. sau ochelarii dvs. îndoaie lumina în moduri foarte previzibile, pe baza răspunsului material intrinsec al sticlei. O lentilă realizată dintr-un metamaterial va răspunde la lumină în moduri care nu se mai bazează exclusiv pe proprietățile materialului în sine, ci în mare parte pe proiectarea și dispunerea acestor antene optice. Deci, conceptul de „meta” provine din capacitatea noastră de a crea materiale artificiale, constând dintr-un compozit de structuri la scară nanometrică, care pot răspunde la lumină în moduri complet noi. Este un fel de elegant pentru a vedea un exemplu în cazul unui metal ca aurul. De obicei, ne gândim la aur ca la un material în vrac care este reflectorizant, gălbui și strălucitor. Chiar și atunci când coborâți la scară nanometrică, aurul este încă aur. Dar specificând geometria aurului la scară nanometrică, putem schimba culoarea aurului de la galben la verde sau roșu și poate susține multe alte tipuri de proprietăți optice pe care nu le asociem cu aurul în vrac. Acestea sunt proprietățile pe care inginerii le pot folosi pentru a face noi dispozitive.

ce ne permit metamaterialele să facem ceea ce nu am putut înainte?

metamaterialele sunt promițătoare din câteva motive. În primul rând, ele permit miniaturizarea extremă a dispozitivelor optice existente. De exemplu, putem lua o lentilă de ochelari și o putem face de 100 de ori mai subțire decât o șuviță de păr. Acest lucru ne permite să traducem sistemele optice tradiționale voluminoase la factori de formă extrem de mici. În al doilea rând, ele pot fi personalizate pentru a susține proprietăți noi care în prezent nu sunt accesibile cu hardware-ul optic existent, ducând la sisteme optice complet noi.

care este un exemplu de dispozitiv potențial metamaterial?

o oportunitate majoră apare astăzi din faptul că camerele de înaltă rezoluție s-au miniaturizat la dimensiuni care se pot încadra pe telefoanele mobile, făcându-le accesibile publicului de un milion de ori mai mare decât înainte. O parte din întrebarea mea mai mare de cercetare este: există ceva mai mult putem face cu sisteme de imagistica cu factori de formă de un aparat de fotografiat telefon mobil? Există atât de multe informații în câmpul luminos care nu este capturat în prezent de o cameră mobilă, dar care ar putea fi capturate cu sisteme de imagistică care includ metamateriale. Accesul la aceste informații suplimentare ar putea schimba modul în care folosim imaginile pe care le luăm. De exemplu, dacă aveți o afecțiune a pielii, o mulțime de informații optice ale pielii ar putea fi extrase dintr-o imagine simplă a telefonului mobil și utilizate pentru a evalua mai bine starea dumneavoastră.

ce te excită la metamateriale?

metamaterialele ne conduc la un set complet diferit de întrebări – metaquestions, dacă vreți. De exemplu, sunt aceste nanoantene cel mai bun mod de a face ceea ce vrem să facem? În acest moment, chiar și asta nu este clar. În plus, ajungeți la marile întrebări ale aplicațiilor pentru aceste materiale și dispozitive. E doar larg deschisă. De aceea, acest lucru este interesant pentru mine.

orice impresii timpurii pentru a partaja ca un nou membru al Facultății?

Stanford este un loc cu adevărat special. Oamenii sunt de top-notch și mediul este extrem de colaborare, nu siloed. De exemplu, m-am extins recent în robotică, unde am căutat să aplic concepte în undele de frecvență radio pentru a crea sisteme robotice moi mai inteligente. În acest efort, am început o colaborare cu Allison Okamura și Sean Follmer, care sunt ingineri mecanici. A fost fantastic până acum și am învățat atât de multe. Oamenii de aici sunt foarte deschiși la minte și sunt inspirați să facă cercetări interdisciplinare interesante pentru a identifica și rezolva probleme mari. Sunt încântat să fac parte din asta.